О рыхлении материала говорят, когда требуются специальные усилия для преодоления внутренних связей между минералами материала. Это особенно касается пород классов 6 и 7, т.е. всех кальных горных пород, для классификации которых определяющим является состояние при рыхлении. Более подробно этот вопрос в данной главе не рассматривается.
Рыхление легко, средне и тяжело разрыхляемых пород и горных пород классов 3-5 рассматриваются в статье о погрузочных работах на строительных объектах, так как при их машинной разработке вряд ли можно найти различие между погрузкой и собственно рыхлением.
Бурение и взрывные работы
При разработке монолитных горных пород открытым способом преобладает технология с бурением и взрыванием. Взрывание ведется преимущественно с бурением глубоких скважин (глубиной более 12 м и диаметром больше 65 мм).
Такая технология требуется точного знания характеристик конкретного месторождения, т.е. применение общих рекомендаций здесь вряд ли возможно.
При взрывании для строительных целей применяется в основном метод взрывания уступами с перепадами между ними по высоте до 10 м. Диаметр скважин при этом составляет от 25 до 65 мм. Оборудование для взрывных работ подбирается в соответствии с задачами разработки. Можно говорить о взрывании для пробивки траншей или для вскрышки, для устройства котлованов или иных выемок, о взрывах для рыхления монолита с целью получения уступов.
Обсуждение всех этих задач потребовало бы выхода за рамки этого блога. Можно только посоветовать руководствоваться соответствующими, имеющимися в распоряжении документами, касающимися бурения и взрывных работ.
Рыхление скальных пород
Механическое рыхление скальной горной породы, особенно с помощью тяжелых гусеничных бульдозеров или гидравлических экскаваторов, является одной из наиболее важных технологий при производстве земляных работ и разработке месторождений полезных ископаемых. Как и иная другая технология, здесь предполагаются специальные знания о взаимодействия между машиной и материалом. Существует ряд факторов, возникающих при проведении работ буровзрывных работ. Избежать их негативного влияния поможет переход на альтернативные технологии рыхления. Вот некоторые из этих факторов:
- Нагрузка на окружающую среду в виде сотрясений, разлета камней и шума, что может вести к запрету взрывания в населенной местности;
- Затраты на обеспечение безопасности при взрывании могут быть непропорционально высокими, особенно при разработках небольшого объема;
- Необходимость в специалистах по буровзрывному делу, занимающихся разработкой подземным способом, и за которыми нужно обращаться в специализированные фирмы;
- При разработке месторождений иногда требуется предварительная гомогенизация материала, которая может быть получена рыхлением.
Месторождение может иметь особенно ценные зоны, которые должны разрабатываться селективно. Бурение и взрывание в сильно нарушенных и трещиноватых залежах могут быть трудно реализуемы и могут вывести к неудовлетворительным результатам.
Оценка рыхлости материала
Уже только определение рыхлимости представляет серьезные трудности. Мало-мальски содержательный ответ сможет дать, возможно, только опытный специалист на основе предоставленных ему данных о географических и топографических условиях и с помощью результатов специальных исследований, например, сейсморазведки.
На вопрос о рыхлости какого-то материала без практических испытаний сегодня точно ответить еще нельзя. И хотя развитие линейки наших машин от 3,5-тонного рыхлителя, который использовался в 1931 г. на строительстве плотины Гувера в США, до сегодняшних бульдозера-рыхлителя (100 т) и гидравлического экскаватора (300 т) успешно продолжается, но далеко не все скальные породы можно рыхлить механически. В некоторых случаях более экономично было бы вернуться к взрыванию.
По экономическим соображениями практическая проверка на рыхлимости должна проводиться на достаточно больших строительных объектах.
Благоприятными условиями для применения механического рыхления могут быть:
- сильная трещиноватость и зоны нарушений;
- выветрелость, влажность;
- выраженная слоистость;
- малая толщина пластов;
- низкая крепость породы;
- малая скорость прохождения сейсмических волн.
Сейсмическое исследование грунтов
Важным и очень удобным на практике оказался метод исследования грунтов с помощью сейсмических волн. Благодаря современной электронике сегодня он достиг высокой точности.
Сейсморазведка позволяет оценить степень прочности материала. В комбинации с его анализом она дает возможность достаточно точно оценить также и его рыхлость.
Принцип сейсмоанализа прост. В его основу положено измерение времени, за которое электромагнитная волна проходит через различные материалы от излучателя до приемника. При этом чем короче измеренное время, тем, следовательно, выше скорость волны, т.е. тем плотнее и тверже материал, через который она прошла.
Выполнение сейсморазведки
Сейсмическая волна генерируется ударом молота по металлической плите. Место удара располагается на различных, точно определенных расстояниях от приемников — геофонов.
Промежуток времени между ударом и приемом сигнала может быть замерен специальным прибором — сейсмографом.
Испытание должно проводиться по прямой, насколько это возможно, ровной линии между передатчиков и приемником. Расстояние между ними должно соотвествовать 3-4 толщинам исследуемой породы.
Возбужденная молотком сейсмическая волна обычно достигает глубины 10-15 м, а при гомогенных, ненарушенных массивах — даже 30 м.
Во время испытаний регистрируется первая волна, достигшая геофона. Это может быть как волна, прошедшая по самому короткому пути, так и волна, путь которой был длиннее, но скорость выше.
Сплошными линиями на рисунке представлены волны, принятые геофоном. По расстоянию и времени строится график скорости. При одном и том же материале измеренные значения обычно лежат по одной линии.
Точка, где она становится более пологой, т.е. скорость увеличивается, указывает на то, что волна достигла более глубоко лежащего, более плотного материала.
Оценка результатов измерений
После многих лабораторных и практических исследований фирма Caterpillar разработала диаграмму скорости распространения волн для наиболее часто встречающихся материалов.
Кроме определения степени уплотнения материала, сейсмоанализ позволяет оценить и толщину каждого отдельного пласта.
Расчет мощности пласта может производиться по формуле:
Где:
- D = Глубина;
- X = «Критическое расстояние», т.е. расстояние, при котором волны одновременно, но разными путями достигают геофона (Точка пересечения V1 и V2);
- V1 = Скорость на верхнем пласте;
- V2 = Скорость на нижележащем пласте.
Расположенные ниже пласты оцениваются аналогично.
Однако сейсморазведка методом преломленных волн может использоваться только тогда, когда на отдельных пластах скорость повышается вглубь. Она позволяет получить наиболее точные результаты при параллельном расположении пластов. Это можно проверить, развернув направление излучения волн. Кривые должны быть зеркальными (см. рисунков снизу).
Сейсморазведку рекомендуется производить в обоих направлениях. Это позволит не только определить изменяющиеся толщины непараллельных пластов, но и получить более точные данные о структурных свойствах пластов, лежащих под поверхностью.
Интерпретацию результатов сейсморазведки в отношении рыхлимости требует большего опыта, особенно тогда, когда скальная порода не однородна и не изотропна. А это часто имеет место. Однако опыт не должен ограничиваться знаниями только в области геологии и геофизики. Не менее важно хорошо знать особенности рыхления.
Только после обширных исследований и испытаний материала можно делать сколь-нибудь надежные выводы в соответствии скорости сейсмических волн в материале и его рыхлости.
Еще больший опыт требуется при выборе машин, определении их характеристик и необходимого оборудования с оценкой производительности и требуемых для ее достижения затрат.
Для грунтов класса 3-6, как это видно из таблицу снизу, сейсмографические исследования вряд ли необходимы.
